Стационарное состояние

Стационарным называется такое состояние открытой систе­мы, при котором основные макроскопические параметры систе­мы остаются постоянными. Надо подчеркнуть принципиальную разницу между состоянием равновесия и стационарным состоя­нием

-

Отличительные признаки стационарного и равновесного состояний

(Губанов, Утепбергенов, 1978)

Равновесное состояние	Стационарное состояние
Свободная энергия иработоспособ- ность системы минимальны   Энтропия в системе максимальна   Отсутствие градиентов в системе	Свободная энергия и работоспосо-­ ность системы постоянны, но не ми­ нимальны Энтропия в системе постоянна засчет равенства продукции и потока энтропии Наличие постоянных градиентов всистеме

В состоянии равновесия в системе прекращаются все про­цессы, кроме теплового движения молекул; соответственно, вы­равниваются все градиенты. В стационарном состоянии идут химические реакции, диффузия, перенос ионов и другие процес­сы, но они так сбалансированы, что состояние системы в целом не изменяется. В стационарном состоянии существуют гради­енты между отдельными частями системы, но они сохраняют постоянные значения. Это возможно только при условии, что система из окружающей среды получает вещество и свободную энергию, а отдает продукты реакций и выделяющееся тепло. Термодинамическим критерием (условием) стационарного со­стояния является равенство между продукцией энтропии орга­низмом и потоком энтропии из него в окружающую среду:

а полное изменение энтропии равно нулю:

(21)

Понятно, что термодинамическому равновесию свойственно отсутствие потока веществ между системой и средой, тогда как стационарное состояние открытой системы поддерживается бла­годаря обмену веществом и энергией со средой. Именно в ок­ружающей среде открытая система черпает свободную энер­гию, необходимую для поддержания стационарного состояния. Для сохранения термодинамического равновесия затрачивать свободную энергию не нужно,

В биологической системе термодинамическое равновесие ус­танавливается только при наступлении смерти. В обычных ус­ловиях жизни организм поддерживает стационарное состояние, которое характеризуется не отсутствием процессов, а таким их течением (обычно весьма активным и напряженным), при ко­тором они сбалансированы настолько, что основные параметры системы сохраняются неизменными, создавая внешнее впечат­ление «покоя».

Естествоиспытатели давно подметили стремление биологических систем, особенно высокоорганизованных организмов, поддерживать основные пока­затели жизнедеятельности на постоянном уровне в течение всей жизни. В се­редине прошлого века выдающийся физиолог К. Бернар создал представле­ние о постоянстве «внутренней среды организма», под которой понимают кровь, лимфу и межклеточную (интерстициальную) жидкость. В нее «по­гружены-» клетки всех тканей и органов. Внутренняя среда высших жи­вотных характеризуется относительным постоянством физико-химических и физиологических свойств: температуры, рН, содержания кислорода, углекис­лого газа, воды, ионов, сахара и других веществ, относительной стабиль­ностью кровяного давления, клеточного состава крови и других так назы­ваемых физиологических констант.

К. Бернар отводил внутренней среде значение своеобразной «оранжереи.» для клеток. Он утверждал, что «постоянство внутренней среды является необходимым условием свободной жизни высших животных». Наличие внут­ренней среды, свойства которой поддерживаются постоянными даже при значительных изменениях окружающих условий, позволяет человеку сохра­нять жизнь при значительных колебаниях физико-химических параметров внешнего мира.

С 1939 г. в науке укоренился термин «гомеостазис» (производное гре­ческих слов: γωμωιωσ—одинаковый, στασισ—состояние). Это состояние биологической системы обеспечивается взаимодействием внутренней среды организма с внешним миром. Из внешней среды человек получает все, что ему необходимо для жизнедеятельности. Ей организм отдает свои «шлаки». Основными потребителями всего, что берет биологическая система из окру­жающей среды, и производителями «шлаков» являются клетки. Вместе с тем в организме высших животных преобладающая часть клеток не вступает в непосредственный контакт с внешней средой. Клетки контактируют с вну­тренней средой организма, а та, в свою очередь, связана с внешней, средой посредством систем кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения.

Следовательно, в обмене клеток с внешним миром существует посред­ник— внутренняя среда организма. Она служит своеобразным «буфером», не дающим внешней среде погубить живые клетки, когда физико-химические свойства внешнего мира резко изменяются. В неблагоприятных условиях внутренняя среда организма способна сохранить свои «оранжерейные» свой­ства за счет регуляции кровообращения, дыхания, выделения, пищеварения. Например, при уменьшении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе у человека усиливаются дыхание и кровообращение, что позволяет сохра­нить нормальное содержание кислорода во внутренней среде и обеспечить оптимальное течение окислительных процессов в клетках.

Из сказанного можно понять, что гомеостазис представляет собой именно стационарное состояние организма высших животных.

Термодинамика открытых систем позволяет вскрыть еще од­ну причину целесообразности стационарного состояния для био­логических систем, которая отображена в теореме Пригожина.

Дата добавления: 2014-01-15